*本文为《半月谈》2024年第21期内容
“你相信光吗？”如果关心芯片的人问你这个问题，并不意味着他突然变成了奥特曼粉丝，而是他开始注意到“光”开始成为搅动芯片世界的力量。 。
2023年诺贝尔物理学奖将授予“阿秒光脉冲技术”，“如何利用光进行计算”也开始成为业界和学术界的重要话题。本质上速度很快的光能否以令人难以置信的速度完成人工智能时代智能世界“基础设施”的升级？
光子“接管”电子
与更传统的电子芯片不同，光子芯片是一种利用光子的特性进行计算的新型芯片。
本质上，芯片依靠半导体材料的物理特性来控制携带信息的微观粒子，但不同类型的芯片选择不同的粒子载体。 “光子芯片利用光子来生成、处理、传输和显示信息。”中科创兴创始合伙人米雷表示。
与电子相比，光子具有明显的优势：传输信息的响应时间极快，信息容量比电子高3-4个数量级，极强的存储、计算甚至并行互连能力，超低的能耗……这些优势对于信息产业来说意味着什么样的潜力，不言而喻。
现在，随着人工智能时代的到来，人们对计算能力的需求也在不断上升。然而，电子芯片的发展正在逼近物理和经济成本极限，“摩尔定律已经失败”的声音不绝于耳。
电子芯片以硅为基础，硅原子的直径约为0.22纳米。当制造工艺降至7纳米以下时，电子芯片很容易出现浪涌和电子击穿问题，这意味着我们很难完美地控制电子。在2023年以来兴起的大型机型浪潮中，传统电子芯片的末日已经开始显现。
光子芯片代表着新的曙光。它不仅有望解决电子芯片难以克服的功耗、内存访问能力等方面的优化问题，还可以催生许多新的应用场景。与之匹配的是，用光路代替电路，用激光光源代替电源……通过消除光电转换，可以绕过现有的物理限制，突破计算机的算力瓶颈。芯片。目前，该领域的竞争已在国内外多家顶尖科研机构之间展开。
清华大学光子芯片团队部分成员合影
今年4月，清华大学研究团队首创了全球首个分布式广度智能光计算架构，并设计了一款用于高级AI任务的光子芯片——“太极”。能效比现有智能芯片高出2到3个数量级。可为大场景智能分析、大模型训练推理等任务提供算力支持。
今年5月，中科院上海微系统与信息技术研究所的研究团队研发出钽酸锂异质集成晶圆，该晶圆也首次用于生产可批量制造的高性能光子芯片。
光子芯片真的离我们不远吗？
如何“驯服”光？
在展望未来的同时，让我们首先多思考一下光子芯片是如何工作的？
电子芯片由电子晶体管和导电铜线组成。光子芯片由光子晶体管和“光导”波导组成。波导是传播光的介质。例如，我们熟悉的光纤就是波导的一种。
按照功能，光子芯片可以分为两类：激光芯片和探测器芯片。激光芯片利用半导体材料激发电能注入电流，实现电光转换。探测器芯片通过光电效应识别光信号并将其转换为电信号。
技术人员讨论光芯片生产工艺 魏培泉 摄
如何控制光输出？最理想的情况是光驱动、光控制的全光晶体管。然而，该技术尚不成熟，纯光子芯片仍处于概念阶段。光子芯片的基本部件是光驱动、电控制的电光混合器件。基于光电控制，清华大学今年8月推出了Taichi II芯片，无需GPU即可实现光学神经网络的在线训练。
电光混合器件将光信号和电信号之间的调制、传输和解调的整个过程集成在一块基板上。这是芯片进行高速数据处理的基础。得益于光波波长尺寸的优势，光子芯片的制备只需要100纳米的成熟工艺，并且芯片可以完全国产自主生产。
光子芯片从哪里来？
刚才提到，光子芯片有潜力突破电子芯片的算力瓶颈。另外，它还能在哪些领域大显身手呢？
我们都知道，光速是人类已知的宇宙中最快的速度。凭借光的高速传输特性，人们对光子芯片首先期待的是超高速数据传输。 “光纤网络+光子芯片”意味着高速通信的新时代。此外，光子芯片的抗干扰性能也使得光子雷达成为现实。
AI生成的图像
光子芯片在其他领域的应用也值得期待。例如，在生物医学领域，光子芯片可用于光学成像和光谱分析，实现细胞、组织和药物的快速检测和分析。在环境监测领域，光子芯片可用于气体传感器和污染监测，使环境质量的实时监测和评估更加高效。
光学计算芯片现在开始走出实验室。科学家们希望经过一系列的工程努力，能够稳定生产的商业光子芯片能够尽快成为现实。这意味着光子芯片的成本已经被业界广泛接受。
跨过这些坎之后，我们就可以踏上芯片新时代的黄金之路了。不过，未来是有希望的，毕竟光明就在那里。
半月谈记者：张满子
